III. 3. Магнитное поле движущегося заряда. Сила Лоренца

Любой проводник с током создает в окружающем пространстве магнитное поле. В свою очередь ток представляет собой упорядоченное движение электрических зарядов. Отсюда следует, что каждый движущийся в вакууме или среде заряд создает вокруг себя магнитное поле.

В результате обобщения опытных данных был установлен закон, определяющий магнитное поле индукцией точечного заряда q,
свободно движущегося с нерелятивистской скоростью :

(3.11)

где – радиус-вектор, проведенный от заряда q к данной точке поля. Вектор направлен перпендикулярно к плоскости, проведенной через векторы и , а именно: его направление совпадает с направлением поступательного движения правого винта при его вращении от к (рис. 3.6).

Модуль вектора магнитной индукции определяется выражением

(3.12)

Сравнивая (3.11) с выражением (3.5), можно сделать вывод, что движущийся заряд по своим магнитным свойствам соответствует элементу тока:

или

Приведенные закономерности справедливы лишь при относительно
малых скоростях движущихся зарядов (v<<c), то есть когда электрическое
поле свободно движущегося заряда можно считать электростатическим.

Сила, действующая со стороны магнитного поля на движущийся в нем электрический заряд, называется силой Лоренца:

(3.13)

Направление силы Лоренца определяется правилом левой руки: если ладонь левой руки расположить так, чтобы в нее входили линии индукции
магнитного поля, а четыре вытянутых пальца направить вдоль вектора , то отогнутый большой палец покажет направление силы, действующей на положительный
заряд (рис. 3.7). На отрицательный заряд сила со стороны магнитного поля действует в противоположном направлении.

Модуль силы Лоренца определяется по формуле

где – угол между векторами и . Эта формула еще раз показывает, что магнитное поле не действует на покоящиеся электрические заряды.

Сила Лоренца всегда перпендикулярна вектору движения заряженной частицы, поэтому она не изменяет модуля ее скорости. Это означает, что постоянное магнитное поле не совершает работы над движущейся в нем
заряженной частицей и кинетическая энергия этой частицы при движении
в магнитном поле не изменяется.

Если на движущийся электрический заряд помимо магнитного поля
с индукцией действует и электрическое поле напряженностью , то
результирующая сила , приложенная к заряду, равна векторной сумме двух составляющих – электрической и магнитной (формула Лоренца):

Разделение силы Лоренца на электрическую и магнитную составляющие относительно, так как они зависят от выбора инерциальной системы отсчета. Это объясняется тем, что при переходе от одной инерциальной системы
отсчета к другой изменяются не только скорость заряда, но и силовые
характеристики и полей. Соответственно разделение электромагнитного поля на электрическое и магнитное поля тоже относительно.